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On the numerical simulation of advection dominated accretion flows

Brinkmann, Steffen

German Title: Über die numerische Simulation advektionsdominierter Akkretionsflüsse

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PDF, German (Dissertation Steffen Brinkmann) Print-on-Demand-Kopie (epubli)
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Abstract

In accreting systems of low accretion rate (< 1% Eddington rate) the accretion is dominated by advection rather than by radiation or thermal convection. This type of accretion flow is assumed to cause the observational signatures of quiescent galaxies, X-ray binaries in the low-hard state and other compact objects. The motor that maintains the transport of angular momentum and accretion is the magnetorotational instability fed by the shearing of the magnetic field in the differential rotation of the disc. Direct observation of these objects is difficult due to their small size and because they are often hidden behind accreting matter. Therefore simulating the equations of ideal magnetohydrodynamics is necessary to investigate the structure and dynamics of these accretion flows. We carried out direct numerical simulations of an accreting torus around a black hole. By performing tests varying the initial magnetisation, the size and position of the torus and the geometry of the magnetic field, we found the crucial parameters that determine accretion and ejection. The results show that the initial geometry of the magnetic field is of almost no relevance for the long term behaviour. However, if the magnetic field strength is to small, no fast outflow arises. Also the presence of radiative cooling will inhibit powerful ejections. Moreover we report retrograde rotation of the jet with respect to the disc rotation.

Translation of abstract (German)

In akkretierenden Systemen niedriger Akkretionsrate (< 1% der Eddington-Rate) wird der Akkretionsfluss durch Advektion dominiert und nicht durch Wechselwirkung mit Strahlung oder thermischer Konvektion. Dieser Akkretionstyp wird gemeinhin für die beobachteten Eigenschaften von inaktiven Galaxien, Röntgen-Doppelsternen im "Low-Hard-State" und anderen kompakten Objekten verantwortlich gemacht. Der Mechanismus, der den Drehimpulstransport und damit die Akkretion aufrechterhält, ist die Magnetorotationsinstabilität. Diese wird durch die Scherung des Magnetfeldes in der differenziell rotierenden Scheibe erzeugt. Die direkte Beobachtung dieser Objekte ist schwierig aufgrund ihrer geringen Größe und weil sie häufig hinter dem akkretierenden Material verborgen sind. Daher ist es notwendig, magnetohydrodynamische Simulationen dieser Objekte zu erstellen, um ihre Dynamik und Struktur zu erforschen. Wir haben direkte numerische Simulationen eines Akkretionstorus durchgeführt, in denen wir verschiedene Anfangszustände getestet haben. Durch Variation der Position und Größe des Torus, seiner Magnetisierung und der Geometrie des Magnetfeldes, konnten wir die wesentlichen Parameter für die globale Struktur ausmachen. Es zeigt sich, dass die Geometrie des anfänglichen Magnetfeldes irrelevant für die Langzeitentwicklung der Simulation ist. Wenn das Magnetfeld jedoch zu schwach ist, wird kein schneller, Jet-artiger Materiefluss gebildet. Kühlung durch Abstrahlung verhindert ebenfalls starke Ausflüsse. Außerdem fanden wir retrograde Rotation des Jets bezüglich der Scheibenrotation.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Camenzind, Prof. Dr. Max
Date of thesis defense: 7. July 2009
Date Deposited: 21. Jul 2009 13:57
Date: 2009
Faculties / Institutes: Service facilities > Zentrum für Astronomie der Universität Heidelberg (ZAH) > ZAH: Landessternwarte
Subjects: 520 Astronomy and allied sciences
Controlled Keywords: Akkretionsscheibe, Magnetohydrodynamik, Turbulente Strömung, Schwarzes Loch, Aktiver galaktischer Kern, Numerische Mathematik
Uncontrolled Keywords: Röntgendoppelsternmagnetorotational instability , MRI , X-ray binary
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